Cím: Integrált áramkörök
Szerző(k):  Albert Péter 
Füzet: 1972/december, 225 - 228. oldal  PDF  |  MathML 
Témakör(ök): Szakmai cikkek

A szöveg csak Firefox böngészőben jelenik meg helyesen. Használja a fenti PDF file-ra mutató link-et a letöltésre.

A szakemberek harmadik generációnak nevezik az elektronika jelenét és közeljövőjét lényegében meghatározó áramköri egységet: az integrált áramkört. Ha figyelembe vesszük, hogy az elektronika a kiindulópontja ma a kibernetikai gyakorlatnak, a számítástechnikának, a híradástechnikának, méréstechnikának, és ezeken keresztül jelentősen befolyásol még egy sereg tudományágat, így a fizikát is, akkor megérthetjük azt, hogy miért oly jelentős ez a kis technikai "trükk'', amit integrált áramkörnek (IC-nek) neveznek.
Lerombolt először is egy szemléletmódot, ami az elektrotechnika minden korábbi korszakának vezérelve volt. Ma már nem cél az, hogy lehetőleg minél kevesebb aktív elemmel (elektroncső, tranzisztor, négyrétegű eszközök stb.) oldjunk meg egy problémát. Valamikor a "lámpák'' száma határozta meg egy rádió tudását, később azzal jellemeztek egy számítógépet, hogy hány tízezer vagy százezer tranzisztor van benne. Az integrált technikával egyesített áramköri elemek rendszerében a legolcsóbb eszköz a tranzisztor, azután jön a dióda, és ezeknél sokkal drágább egy ellenállás, a reaktáns elemekről (kondenzátor, tekercs) nem is beszélve. Ha lehet, mindent tranzisztorral oldunk meg még akkor is, ha egy kondenzátor szimulálásához történetesen öt tranzisztor kell. Egy olyan integrált áramkör, amiben csak tranzisztorok vannak, fele annyiba kerül, mint egy olyan, amiben kevesebb az aktív elem, de van benne három ellenállás. Így azután elterjedt gyakorlat, hogy egy 20‐30 tranzisztort tartalmazó IC-ben csak öt‐hat ellenállás számolható össze. Az integrált áramkörök ára sem attól függ, hogy hány áramköri elem található benne, hanem attól, hogy hány különböző funkcióban alkalmazható.
Az integrált áramkör elsősorban szellemi termék, tehát egy típus megtervezése óriási munkát és költséget jelent. Így ellentétben a korábbi gyakorlattal, amikor minden cég igyekezett kialakítani a saját kínálatát oly módon, hogy abban minden célra legyen megfelelő tranzisztor, elektroncső ‐ az IC gyártás területén nagyfokú specializálódás megy végbe. Már nagyon kevés átfedés található a különféle gyárak termékei között, mindegyik egy ‐ egy család gyártásával foglalkozik.
Az út a szigetelő alapanyagú megoldáson keresztül vezetett a ma korszerűnek tekinthető félvezető alapú (monolit) eljáráshoz. Mi csak ezen utóbbi típust mutatjuk be, az érdeklődésfelkeltés igényével. A félvezetők fizikája a kvantummechanikán alapszik, így minden klasszikus fizikán alapuló ismertetés szükségszerűen sok homályos problémát hagy megválaszolatlanul. A továbbiakban ezért inkább az integrált áramköri eljárások érdekességeiről esik szó, mintsem valami komoly magyarázatról. A következők megértéséhez elegendő a középiskolás tankönyv anyagát ismerni.
Topológiai szempontból minden hálózat több pont villamosan szigetelt és összekötött elrendezésének fogható fel. Ami vonalakkal össze van kötve, az villamosan is együvé tartozik, ahol nincsenek vonalak, azok a pontok villamosan el vannak szigetelve. Ha egy ilyen áramkört kivitelezünk a valóságban is (a rajzhoz hasonlóan egy síkban) és letesszük az asztalra ‐ föltéve, hogy mindent jól csináltunk és nincs hibás alkatrész ‐, az működni fog. Ha az asztal történetesen jól vezető fémből van, akkor az asztal lapja felé szigeteletlen áramköri elemek összekapcsolódnak, és így megváltozik a hálózat topológiája. Ezt egyszerűen elkerülhetjük, ha az alkatrészeket elszigeteljük az asztaltól. Amikor szigetelést mondunk, sokan valami igen nagy ellenállású anyagra gondolnak, az integrált áramkörrel foglalkozók azonban nem. Mint láttuk, itt lényegesen olcsóbb és egyszerűbb a szigetelés helyett záróirányban előfeszített pn átmenetet alkalmazni. (Diszkrét elemeknél persze ostobaság lenne az előbb említett hálózat elemeit diódákkal elszigetelni az asztaltól.) Minden IC alapja egy ilyen diódasziget rendszer. E diódáknak az egyik elektródja közös, ez képezi egyben az áramkör mechanikai alapját, a másik elektródák kis szigetecskéket alkotnak az előbbinek a felületén. Gyakorlati szempontok miatt a közös elektróda mindig a p típusú réteg. Az n szigeteket a következőképpen állítják elő : először összefüggő n réteget növesztenek a p rétegre, majd ebbe a megfelelő helyeken p típusú árkokat diffundáltatnak olyan mélyen, hogy elérjék az összefüggő p réteget. A p árkok ilyen rendszere kimetszi az áramköri elrendezésnek megfelelő szigeteket az n rétegből. A szigetek jó elzárásához a p típusú alapot kell mindig az áramkör legnegatívabb pontjára kötni (1. ábra).

 
 
1. ábra
 

Ezzel kialakítottuk mindazt, ami az áramkör rajzán rajta sincs, ti. a fehér papír által elszigetelt mezőket. Hogy milyen jelentős ez a lépés, megérthetjük akkor, ha megpróbálunk fekete papírra fekete ceruzával felrajzolni egy áramkört. A következő lépés az n típusúra szennyezett kristályszigetekben kialakítani az áramköri elemeket. A legalapvetőbb elem az npn tranzisztor. A kollektor lehet mindjárt az n sziget, ennek egy részét átszennyezik p típusú bázissá, majd ebben újabb diffúzióval n típusú emittert alakítanak ki. Ez a diffúziós planártechnológia adja ‐ mai ismereteink szerint ‐ a legjobb tranzisztort. (A planár jelző a nagy párhuzamos pn átmenetekre utal.) Az egyes rétegekhez kivezető csúcsokat forrasztanak (mindez a 2. ábrán követhető).
 
 
2. ábra
 

A második legfontosabb kapcsolási elem a FET tranzisztor (ismeretes még térvezérlésű tranzisztor néven is). Az ilyen aktív elem nem más, mint egy n vagy p típusú csatorna, ami ellenkező típusú rétegek között halad. A csatorna ellenállását szabályozhatjuk oly módon, hogy annak keresztmetszetét csökkentjük. Ezt úgy érhetjük el, hogy a körülvevő réteg irányában kialakult pn átmenetre zárófeszültséget kapcsolunk, minek következtében a kialakuló kiürített zóna csökkenti a csatorna hasznos keresztmetszetét. Ilyen módon a körülvevő réteg (vezérlő elektróda) feszültségével vezérelhető a csatorna ellenállása, azaz a két végére kapcsolt kivezetések közti áram is. A csatorna két kivezetését továbbra is emitternek és kollektornak nevezik, holott ezek működése nem is emlékeztet a normális tranzisztorok hasonló nevű elektródáinak működésére. Érdekes, hogy ezt az erősítő elemet jóval a tranzisztor felfedezése után vezették be, holott működése jóval egyszerűbb annál. (A kísérletek ilyen irányban is folytak a tranzisztor feltalálása idején, de bizonyos nehézségek hátráltatták a sikeres befejezést.) Mint látható, FET-et egyszerűen kialakíthatunk egy npn típusú tranzisztor geometriájából, ha összekötjük a kollektorréteget az emitterréteggel. Így ezek lesznek a vezérlőelektróda részei, a bázis ‐ két végére erősttett kimenettel ellátva ‐ pedig a p típusú csatornát szolgáltatja. Hangsúlyozzuk, hogy itt csak geometriai kialakításról volt szó, a rétegek részletesebb struktúráját másként kell beállítani egy FET-nél, mint egy közönséges tranzisztornál. FET tranzisztort azért szoktak csinálni, mert bemenőellenállása sok nagyságrenddel nagyobb, mint a közönséges tranzisztoré, ezen kívül a vezérelt áram nem hőmérsékletfüggő, hisz többségi töltéshordozókon alapszik. Az elmondottak a 3. ábrán láthatók.
 
 
3. ábra
 

A pnp tranzisztorral már sokkal több baj van. Csinálhatnánk azt is, hogy a közös p réteg lesz a tranzisztor kollektora, az n sziget a bázis, és ebbe bediffundáltatunk még egy p réteget emitternek (4. ábra).
 
 
4. ábra
 

Itt az a baj, hogy a tranzisztor kollektora kerül az áramkör legnegatívabb pontjára, és ez csak kevés hálózatban engedhető meg. A legtisztábbnak az a megoldás látszik, amely szerint hagyjuk meg az n szigetet pusztán a szigetelő pn átmenet céljára, és alakítsunk ki ebben egy teljes pnp tranzisztort. Ekkor azonban kialakul egy második parazita tranzisztor a pnp tranzisztor kollektorából, az n szigetből és a közös elektródából. Ha megfelelően vastagra tudnánk csinálni az n szigetet, és így a pnp tranzisztor alatt elég vastag n réteg maradna, akkor ‐ mivel ez a parazita tranzisztor bázisa ‐ megfelelően leronthatnánk e nemkívánatos tranzisztor hatását. Ez azonban diffúziós eljárással rendkívül körülményes (5. ábra).
 
 
5. ábra
 

pnp tranzisztorok kialakítására még számos eljárás ismeretes.
Ellenállásokat készíthetünk úgy, hogy egy tranzisztor egyes rétegeire két kivezetést kötünk, és a hossztól, keresztmetszettől és szennyezéstől függő nagyságú ellenállásként használjuk (6. ábra).
 
 
6. ábra
 

(A gyengébben szennyezett bázisrétegből nagy, az erősen szennyezett kollektor és emitter rétegekből kis ellenállásokat szoktak kialakítani.) Így azonban nem lehet 105 ohmnál nagyobb ellenállást készíteni. A másik, talán még ennél is lényegesebb hiba az, hogy a félvezető ellenállások igen pontatlanok. Nem találtak még olyan eljárást, amellyel precíziós félvezető ellenállást lehetne előállítani.
A kondenzátor a legnagyobb probléma. Egy záróirányú pn átmenet kapacitásként használható a kiürített zónában felhalmozott töltéshordozók miatt. Ilyen alapon működik a kapacitás dióda is. Az így készített kondenzátor azonban feszültség- és polaritásfüggő. A másik megoldás szerint egy erősen szennyezett réteg fölé SiO2 szigetelő réteget növesztenek dielektrikum gyanánt, majd erre fémgőzölögtetéssel felviszik a második fegyverzetet. Az erősen szennyezett réteg és a fémréteg között kialakul a kondenzátor.
Az ellenállások és a kondenzátorok közös hibája, hogy túl nagy felületet foglalnak el a kristályból. Így gyakran érdemesebb több tranzisztorral imitálni őket.
Integrált áramköröket ma kizárólag szilícium alapanyagra készítenek. Ennek oka a következő : A szilícium kristály felületére olyan oxidréteg növeszthető, amely villamos szigetelő és a szennyezők diffúziójának ellenáll. A germánium oxidja nem ilyen kedvező tulajdonságú.
A fent leírt diffundált rétegek éppen az SiO2 tulajdonságainak kihasználásával készülnek. Az elektrolitikusan polírozott kristálylemezre oxidréteget növesztenek. Ebbe hidrogén‐fluoriddal lyukakat marnak ott, ahol szennyezőket akarnak diffundáltatni a kristályba. (Ez a maratás fotomaszkolásos eljárással* készül.) A diffundálás után újabb oxidréteg növesztés és újabb helyen történő marás következik. Így alakíthatók ki a leírt rétegek. A kész áramkört újra bevonják oxidréteggel, hogy elzárják azt a külvilág hatásaitól. Az oxidmaszkos eljárással egyszerre alakíthatók ki az áramkör összes tranzisztorai. Különleges maszkolást, így külön lépést csak a nagy ellenállások és kondenzátorok kívánnak. Sőt nemcsak egy áramkört, hanem sok százat készítenek így, párhuzamosan egyetlen kristálylemezre. Ezt azután szétdarabolják kb. 1 mm2 felületű kis morzsákká. Egy ilyen morzsa egy IC.
Az oxidrétegből kiálló kis vezetőcsonkok között felgőzölögtetett alumínium sávokkal teremtenek összeköttetést. Ugyancsak felgőzölögtetett réteggel valósítják meg a kondenzátorok második fegyverzetét és a pontos ellenállásokat. Mikroszkóp alatt felforrasztják a kivezetéseket, és tokozzák az integrált áramkört.
 
Az integrált áramkörökkel való beható megismerkedés feltétele, hogy alapos tudásunk legyen a félvezetők fizikájának terén. Ehhez hasznos segítséget kaphatunk a Műszaki Kiadó "Röviden és tömören'' sorozatának Lehman: Diódák és tranzisztorok c. kötetéből.
 
Megjegyezzük, hogy kiskereskedelmi forgalomban is kapható néhány integrált áramkörtípus. Ezek főleg digitális logikai funkciókra alkalmas egységek. Ilyen elemek alkalmazását is tárgyalja Kovács Mihály cikksorozata a Rádiótechnika 1971/3.‐1972/8. számaiban.
*A fotomaszkolásos eljárás lényege a következő. Az integrált áramkör sokszorosan nagyított tervrajzát lefényképezik. Az IC kristálylemezének felületét fényérzékeny anyaggal vonják be. Ez az anyag a megvilágítás hatására oldhatatlanná válik. A tervrajzról készült "diapozitivákat'' a kristálylemez fölé helyezve átvilágítják, így a rajzolatnak megfelelően oldhatatlan védőréteg alakul ki a kristályt borító SiO2 réteg felületén. A meg nem világított zónákat leoldják, így itt szabaddá válik az oxidréteg, amit azután lemaratnak.